CN1322962C - 机器人气动灵巧手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人气动灵巧手。它由一个手掌、五个手指和手腕接口组成，手指和手腕接口都连接在手掌的机械接口上。五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指，各指之间按一定夹角布置，每个手指都有三个关节和四个自由度。手腕接口用于连接手掌和机器人操作器的末端，构成手腕关节，有两个自由度。手背上设引导总管，将五个手指共二十五根气压管从手背的根部引出。本发明采用气压驱动，简化机械设计、结构紧凑、零件易于加工、降低制造成本；同时，采用气动柔性关节，能实现手指关节的弯曲和侧展运动，具有灵巧性，操作灵活；它有五指十六个关节和二十二个自由度，与人手生理结构很接近，为实现主、从手控制操作，提供了必须的硬件接口。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人灵巧手，具体地说是涉及具有五个手指十六个关节二十二个自由度的一种机器人气动灵巧手。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展和机器人应用领域的不断扩大，原有的机器人末端操作器已经不能满足当今生产需求。为了克服普通末端操作器夹持方式单一、活动空间小、缺少灵活性、难以精确控制等缺点，灵巧型机械手(简称灵巧手)应运而生。灵巧手有多个自由度，可以抓取多种形状、不同材质的物体，还可以对所抓持的物体进行精细操作。用其代替专用的夹持器，安装到机器人操作器末端，不仅能扩大机器人的作业范围，还能提高机器人的作业质量。
十九世纪六十年代初，南斯拉夫Tomovic和Boni开发了第一只机械手，它有五个手指和五个自由度。七十年代发明了多种通用夹持器，如日本Hanafusa开发了一个三指手机构，每个手指有一个自由度；美国Crossley研制了三指八自由度机构，其中一个手指有二个自由度，另两个手指分别有三个自由度。八十年代，Salisbury，Jacobsen等人提出摸拟人手来设计通用夹持器的研究思想，研制了多指、多关节、多自由度的JPL灵巧手机构；日本学者T.Okada研制了三指十一个自由度灵巧手；美国Utah大学研制了MIT手。九十年代末二十一世纪初，灵巧手的研发进入了一个新阶段，关节数、手指数逐渐向人手靠近，其中比较有代表性的有：1999年研制成功的NASA灵巧手，由四个手指和一个位置相对的拇指组成，共有十四个自由度，由十四个直流无刷电机驱动，其于人手外形尺寸很相似，具有很好的灵活性；2003年日本歧阜大学Haruhisa，Kawasaki等人研发了Gifu III灵巧手。Gifu III手是拟人电动灵巧手，尺寸略大于人手，外形更接近人手，共有五个手指十六个自由度，具有较高的灵巧性和精确控制性。
发明内容
本发明的目的在于提供具有多自由度、多关节，能抓取不同形状、不同材质物体的一种机器人气动灵巧手，能替代人手，在人类无法亲临或恶劣的环境中工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明由一个手掌、五个手指和手腕接口组成；手指和手腕接口都连接在手心和手背组合而成的机械接口上；五个手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指，其中食指、中指、无名指和小指的相邻夹角都为15°，拇指与食指的相邻夹角为88°，每个手指都有三个关节和四个自由度，手腕接口用于连接手掌和机器人操作器的末端，形成手腕关节，有两个自由度，采用气压驱动两个气动弯曲关节和气动球关节，第一气动弯曲关节装在上指节和中指节之间，第二气动弯曲关节装在中指节和下指节之间，气动球关节装在下指节和手掌之间，使手指关节产生弯曲和侧展运动；手背上装有引导总管，使五个手指共二十五根气压管从手背的根部引出；机器人气动灵巧手是一种具有五指、十六个关节和二十二个自由度的机构。
所述的食指、中指和无名指尺寸大小相同，拇指和小指的尺寸大小相同；每个手指都有三个指节、三个关节和四个自由度；三个指节为上指节、中指节和下指节；三个关节为两个气动弯曲关节和一个气动球关节，第一气动弯曲关节连接上指节和中指节、第二气动弯曲关节连接中指节和下指节，下指节通过气动球关节连接到手掌上。
所述的第一气动弯曲关节包括弯曲关节凹连接体、弯曲关节空气肌肉、弯曲关节凸连接体、抗拉弹簧钢片、气压管和气压管接头、联接螺栓和螺母；弯曲关节的凹、凸连接体的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与弯曲关节空气肌肉胶接，通过螺栓和螺母与指尖体联接，通过螺栓和螺母与指中体联接，弯曲关节空气肌肉内部有弯曲纤维；所述的第二气动弯曲关节包括弯曲关节凹连接体、弯曲关节空气肌肉、弯曲关节凸连接体、抗拉弹簧钢片、气压管和气压管接头、两个联接螺栓和两个螺母；弯曲关节的凹、凸连接体的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与弯曲关节空气肌肉胶接，通过螺栓和螺母与指中体联接，通过螺栓和螺母与指末体联接。
所述的气动球关节包括球关节凹连接体、三个球关节空气肌肉、球关节凸连接体、三根气压管和三个气压管接头、联接螺栓和两个螺母；球关节的凹、凸连接体的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与三个空气肌肉胶接，通过螺栓和螺母与指末体联接，通过螺栓和螺母与手掌联接成一起。
所述的手指上指节包括指尖体、指尖帽；指尖体与指尖帽胶接成一体。指尖体末端是正方体带孔凸台，与气动关节凹连接体的正方形带孔凹槽相配合，用螺栓和螺母联接固定。
所述的手掌包括手心、手背、引导总管、两个联接螺栓和两个螺母；手心和手背都采用空心壳体结构，为增强手掌强度，在手心和手背内侧设有两个手形加强筋，手心和手背分别用螺栓、螺母和另一螺栓和螺母合成一体，组成七个正方体凹台机械接口，分别与五个手指的气动球关节和手腕接口的两个气动球关节的正方体凸台相接，手背上设有凹槽，通过螺栓和螺母，联接引导总管，五个手指共二十五根气压管从手背的根部引出。
本发明与现有技术相比，具有的有益的效果是：
1.与电驱动的灵巧手相比，本发明采用气压驱动，简化了灵巧手机械设计、结构紧凑、零件易于加工、降低制造成本、装配简便；
2.采用气动柔性关节(气动弯曲关节和气动球关节)，能较好的实现人手指关节的弯曲和侧展运动，具有较好的灵巧性，操作灵活；
3.气动灵巧手是按照摸拟人手的研发思想设计，有五个指、二十二个自由度，与人手生理结构很接近，这为实现主、从手控制操作，提供了合适的硬件接口。
因此，本发明能保证满足灵巧机械手的性能要求。
附图说明
图1是本发明的气动灵巧手背面结构示意图；
图2是本发明的气动灵巧手正面结构示意图；
图3是本发明的气动灵巧手图1的A-A剖视图；
图4是本发明的气动灵巧手手心结构示意图；
图5是本发明的气动灵巧手手背结构示意图；
图6是本发明的气动弯曲关节结构示意图；
图7是本发明的气动弯曲关节工作原理图；
图8是本发明的气动球关节结构示意图。
图中：1.手掌，2.手腕接口，3.手心，4.手背，5.机械接口，6.拇指，7.食指，8.中指，9.无名指，10小指，11.气动弯曲关节，12.气动球关节，13.引导总管，14.上指节，15.中指节，16.下指节，17.螺栓，18.弯曲关节凹连接体，19.弯曲关节空气肌肉，20.弯曲关节凸连接体，21.抗拉弹簧钢片，22.螺栓，23.螺母，24.气压管接头，25.气压管，26.螺母，27.螺栓，28.球关节凹连接体，29.球关节空气肌肉，30.球关节空气肌肉，31.球关节空气肌肉，32.球关节凸连接体，33.螺栓，34.螺母，35.气压管接头，36.气压管，37.螺母，38.指尖体，39.指尖帽，40.螺栓，41.螺母，42.螺栓，43.螺母，44.加强筋，45.加强筋46.手背凹槽，47.气压管，48.气压管，49.指中体，50.指末体，51.气动弯曲关节，52.抗拉弹簧钢片，53.气压管，54.螺栓，55.螺栓，56.螺母，57.螺母，58.气压管接头，59.气压管接头，60.气压管接头，61.弯曲纤维，62.气压管，63.弯曲关节凹连接体，64.弯曲关节空气肌肉，65.弯曲关节凸连接体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
如图1、2所示，本发明由一个手掌1、五个手指和手腕接口2组成；手指和手腕接口2都连接在手心3和手背4组合而成的机械接口5上；五个手指分别是拇指6、食指7、中指8、无名指9和小指10，其中食指7、中指8、无名指9和小指10的相邻夹角都为15°，拇指6与食指7的相邻夹角为88°，可避免各手指的运动干涉，每个手指都有三个关节和四个自由度。手腕接口2用于连接手掌1和机器人操作器的末端，形成手腕关节，有两个自由度，采用气压驱动两个气动弯曲关节11、51和气动球关节12，第一气动弯曲关节11装在上指节14和中指节15之间，第二气动弯曲关节51装在中指节15和下指节16之间，气动球关节12装在下指节16和手掌1之间，使手指关节产生弯曲和侧展运动；手背4上装有引导总管13，使五个手指共二十五根气压管62从手背4的根部引出。
如图3、6、7所示，所述的第一气动弯曲关节11包括弯曲关节凹连接体18、弯曲关节空气肌肉19、弯曲关节凸连接体20、抗拉弹簧钢片21、气压管25和气压管接头24、联接螺栓17、22和螺母23、26；弯曲关节的凹、凸连接体18、20与弯曲关节空气肌肉19胶接；通过螺栓17和螺母23与指尖体38联接，通过螺栓22和螺母26与指中体49联接；所述的第二气动弯曲关节51包括弯曲关节凹连接体63、弯曲关节空气肌肉64、弯曲关节凸连接体65、抗拉弹簧钢片52、气压管53和气压管接头60、联接螺栓54、55和螺母56、57；弯曲关节的凹、凸连接体63、65与弯曲关节空气肌肉64胶接，通过螺栓54和螺母56与指中体49联接，通过螺栓55和螺母57与指末体50联接。
弯曲关节空气肌肉19是一段橡胶管，内部含有弯曲纤维61，弯曲纤维61的作用是使空气肌肉只能轴向伸展，而不能径向膨胀。其工作原理是：在没有控制气压时，由于弹簧钢片21的弹性，气动弯曲关节11处于伸直状态，当控制气体由气压管25经气压管接头24流入到弯曲关节空腔，迫使空气肌肉在钢片限制下发生单侧拉伸，从而使气动弯曲关节产生上下弯曲运动。
当气动弯曲关节11发生弯曲时，就实现了手指的上指节14和中指节15之间的弯曲运动；当气动弯曲关节51发生弯曲时，就实现了手指的中指节15和下指节16之间的弯曲运动。
如图3、8所示，所述的气动球关节12包括球关节凹连接体28、三个球关节空气肌肉29、30、31、球关节凸连接体32、三根气压管36、47、48和三个气压管接头35、58、59、联接螺栓27、33和螺母34、37；球关节的凹、凸连接体28、32与三个空气肌肉29、30、31胶接。通过螺栓27和螺母34与指末体50联接，通过螺栓33和螺母37与手掌1联接成一起。气动球关节12通过三段空气肌肉29、30、31不同的弯曲，可产生弯曲和侧展运动，具有二个自由度。
气动弯曲关节12的工作原理是：当控制气体由三根气压管36、47、48经三个气压管接头35、58、59分别流入三个空气肌肉空腔，迫使空气肌肉伸展，当三段空气肌肉29、30、31输入不同的控制气压时，三段空气肌肉29、30、31分别拉伸不同距离，从而使气动球关节12产生上下弯曲运动和左右侧展运动。
如图1、4、5所示，手掌1包括手心3、手背4、引导总管13、联接螺栓40、42和螺母41、43；手心3和手背4都采用空心壳体结构，为增强手掌1强度，在手心3和手背4内侧设有手形加强筋44、45，手心3和手背4零件合成一体，组成七个正方体凹台机械接口5，分别与五个手指的气动球关节12和手腕接口2的两个气动球关节的正方体凸台相接，手背上设有凹槽46，通过螺栓40和螺母41，联接引导总管13，五个手指共二十五根气压管4、48、25、36、53从手背4的根部引出。
如图3所示，灵巧手的每个手指由一个指尖体38、一个指尖帽39、指中体49、指末体50、两个气动弯曲关节11、51、一个气动球关节12、两片抗拉弹簧钢片21、52、五根气压管47、48、25、36、53、六个螺栓17、22、54、55、27、33、六个螺母23、26、56、57、34、37、五个气压管接头24、35、58、59、60。每个手指有四个自由度。
通过控制气动灵巧手的十个气动弯曲关节、七个气动球关节的运动，可实现拟人手五指、十六个关节、二十二个自由度的机器人灵巧手操作。
Claims (6)
1.一种机器人气动灵巧手，其特征在于：由一个手掌(1)、五个手指和手腕接口(2)组成；手指和手腕接口(2)都连接在手心(3)和手背(4)组合而成的机械接口(5)上；五个手指分别是拇指(6)、食指(7)、中指(8)、无名指(9)和小指(10)，其中食指(7)、中指(8)、无名指(9)和小指(10)的相邻夹角都为15°，拇指(6)与食指(7)的相邻夹角为88°，每个手指都有三个关节和四个自由度，手腕接口(2)用于连接手掌(1)和机器人操作器的末端，形成手腕关节，有两个自由度，采用气压驱动两个气动弯曲关节(11、51)和气动球关节(12)，第一气动弯曲关节(11)装在上指节(14)和中指节(15)之间， 第二气动弯曲关节(51)装在中指节(15)和下指节(16)之间，气动球关节(12)装在下指节(16)和手掌(1)之间，使手指关节产生弯曲和侧展运动；手背(4)上装有引导总管(13)，使五个手指共二十五根气压管(62)从手背(4)的根部引出；机器人气动灵巧手是一种具有五指、十六个关节和二十二个自由度的机构。
2.根据权利要求1所述的一种机器人气动灵巧手，其特征在于：所述的食指(7)、中指(8)和无名指(9)尺寸大小相同，拇指(6)和小指(10)的尺寸大小相同；每个手指都有三个指节、三个关节和四个自由度；三个指节为上指节(14)、中指节(15)和下指节(16)；三个关节为两个气动弯曲关节(11、51)和一个气动球关节(12)，第一气动弯曲关节(11)连接上指节(14)和中指节(15)、第二气动弯曲关节(51)连接中指节(15)和下指节(16)，下指节(16)通过气动球关节(12)连接到手掌(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种机器人气动灵巧手，其特征在于：所述的第一气动弯曲关节(11)包括弯曲关节凹连接体(18)、弯曲关节空气肌肉(19)、弯曲关节凸连接体(20)、抗拉弹簧钢片(21)、气压管(25)和气压管接头(24)、联接螺栓(17、22)和螺母(23、26)；弯曲关节的凹连接体(18)、凸连接体(20)的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与弯曲关节空气肌肉(19)胶接，通过螺栓(17)和螺母(23)与指尖体(38)联接，通过螺栓(22)和螺母(26)与指中体(49)联接，弯曲关节空气肌肉(19)内部有弯曲纤维(61)；所述的第二气动弯曲关节(51)包括弯曲关节凹连接体(63)、弯曲关节空气肌肉(64)、弯曲关节凸连接体(65)、抗拉弹簧钢片(52)、气压管(53)和气压管接头(60)、两个联接螺栓(54、55)和两个螺母(56、57)；弯曲关节的凹连接体(63)、凸连接体(65)的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与弯曲关节空气肌肉(64)胶接，通过螺栓(54)和螺母(56)与指中体(49)联接，通过螺栓(55)和螺母(57)与指末体(50)联接。
4.根据权利要求1所述的一种机器人气动灵巧手，其特征在于：所述的气动球关节(12)包括球关节凹连接体(28)、三个球关节空气肌肉(29、30、31)、球关节凸连接体(32)、三根气压管(36、47、48)和三个气压管接头(35、58、59)、联接螺栓(27、33)和两个螺母(34、37)；球关节的凹连接体(28)、凸连接体(32)的材料是硬质聚氯乙烯，用环氧-丁腈胶与三个空气肌肉胶接(29、30、31)，通过螺栓(27)和螺母(34)与指末体(50)联接，通过螺栓(33)和螺母(37)与手掌(1)联接成一起。
5.根据权利要求1所述的一种机器人气动灵巧手，其特征在于：所述的手指上指节(14)包括指尖体(38)、指尖帽(39)；指尖体(38)与指尖帽(39)胶接成一体。指尖体(38)末端是正方体带孔凸台，与气动关节凹连接体(18)的正方形带孔凹槽相配合，用螺栓(17)和螺母(23)联接固定。
6.根据权利要求1所述的一种机器人气动灵巧手，其特征在于：所述的手掌(1)包括手心(3)、手背(4)、引导总管(13)、两个联接螺栓(40、42)和两个螺母(41、43)；手心(3)和手背(4)都采用空心壳体结构，为增强手掌(1)强度，在手心(3)和手背(4)内侧设有两个手形加强筋(44、45)，手心(3)和手背(4)分别用螺栓(33)、螺母(37)和另一螺栓(42)和螺母(43)合成一体，组成七个正方体凹台机械接口(5)，分别与五个手指的气动球关节(12)和手腕接口(2)的两个气动球关节的正方体凸台相接，手背上设有凹槽(46)，通过螺栓(40)和螺母(41)，联接引导总管(13)，五个手指共二十五根气压管从手背(4)的根部引出。
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